Tổng quan luận án

Vấn đề cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và sự gia tăng ô nhiễm môi trường do khí thải từ các phương tiện giao thông đường bộ đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trên ô tô. Trong quá trình vận hành, hệ thống phanh truyền thống thực hiện chức năng an toàn bằng cách chuyển hóa toàn bộ động năng của xe thành nhiệt năng tiêu tán ra môi trường thông qua ma sát tại các cơ cấu phanh, gây tổn thất nhiên liệu đáng kể. Hệ thống phanh tái sinh (Regenerative Braking System - RBS) được phát triển nhằm thu hồi và tái sử dụng nguồn năng lượng quán tính trong quá trình phanh hoặc giảm tốc.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả chỉ ra là: phần lớn các nghiên cứu về hệ thống phanh tái sinh hiện nay tập trung vào xe điện (Electric Vehicle - EV) và xe lai điện (Hybrid Electric Vehicle - HEV), hoặc ứng dụng trên xe đua F1 và tàu điện. Đối với dòng xe sử dụng động cơ đốt trong truyền thống (Conventional Internal Combustion Engine - CICE), vốn chiếm tỷ trọng lớn trong lưu thông đô thị, các giải pháp nghiên cứu hiện hữu chủ yếu dừng lại ở mô phỏng máy tính hoặc sử dụng bánh đà cơ khí đơn thuần (năng lượng tích trữ dưới dạng cơ năng buộc phải giải phóng ngay sau khi phanh, không lưu trữ lâu dài được). Một số nghiên cứu tích hợp máy phát điện với bánh đà thì vận hành ở dải vận tốc góc thấp (300 đến 500 vòng/phút), dẫn đến hiệu suất chuyển đổi không cao và chưa được kiểm chứng theo các chu trình thử nghiệm tiêu chuẩn quốc tế. Do đó, việc nghiên cứu một hệ thống thu hồi năng lượng cơ - điện kết hợp (bánh đà tích năng kết hợp máy phát điện nạp cho ắc quy thông qua bộ truyền bánh răng hành tinh khuếch đại tốc độ) lắp bổ sung trên xe truyền thống là vấn đề cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Thiết kế và tính toán hệ thống thu hồi năng lượng khi phanh sử dụng phương pháp phối kết hợp giữa bánh đà và máy phát điện áp dụng cho xe có kiểu truyền lực truyền thống.
  2. Xây dựng thuật toán điều khiển phân phối lực phanh tái sinh tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả thu hồi năng lượng khi phanh mà vẫn đảm bảo tính ổn định của xe.
  3. Đánh giá tính kinh tế nhiên liệu của xe ô tô có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống khi sử dụng hệ thống phanh tái sinh.

Nội dung nghiên cứu

  1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hệ thống phanh tái tạo năng lượng; phân tích, so sánh các phương án thu hồi và tích trữ năng lượng phanh từ các công trình trước để đề xuất mô hình nghiên cứu.
  2. Xây dựng mô hình toán và mô phỏng số các thông số của bộ thu hồi năng lượng, khảo sát mối quan hệ giữa vận tốc đầu quá trình phanh, thời gian phanh và phương pháp phân phối lực phanh tới năng lượng thu hồi.
  3. Tính toán và thiết kế các thông số cho mô hình thí nghiệm.
  4. Tối ưu hóa thuật toán điều khiển phân phối lực phanh tái sinh.
  5. Xây dựng bộ điều khiển hệ thống phục vụ mô hình mô phỏng và thực nghiệm.
  6. Tiến hành thực nghiệm trên xe thật và trên băng thử, phân tích và xử lý số liệu thực nghiệm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Quá trình mô hình hóa, mô phỏng và thực nghiệm hệ thống thu hồi năng lượng khi phanh hoặc giảm tốc lắp trên ô tô có hệ thống truyền lực truyền thống; phương tiện thực nghiệm và tính toán cụ thể là dòng xe Toyota Hiace.
  • Phạm vi nghiên cứu: Tính toán, mô phỏng và đánh giá thực nghiệm năng lượng thu hồi dựa trên sự kết hợp giữa bánh đà (tích trữ cơ năng quán tính tức thời) và máy phát điện nạp cho ắc quy (tích trữ điện năng lâu dài) thông qua bộ truyền bánh răng hành tinh kép (PGS) và bộ truyền biến thiên vô cấp (CVT); đánh giá hiệu quả trên xe Toyota Hiace theo các dải vận tốc phanh và theo 4 chu trình lái xe tiêu chuẩn: FTP-75, ECE-R15, NEDC và EUDC.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã phân loại và điểm lại các hướng nghiên cứu về hệ thống phanh tái sinh theo các nhóm công nghệ tích trữ và đối tượng phương tiện:

Các hướng nghiên cứu trên xe điện (EV) và xe lai điện (HEV)

  • Li-qiang Jin: Ứng dụng phần mềm AMESim để mô phỏng năng lượng thu hồi từ hệ thống phanh tái sinh cho xe điện có 4 bánh chủ động dẫn động bởi 4 mô tơ điện độc lập, kết quả cho thấy cải thiện 30% hiệu quả sử dụng năng lượng.
  • G. Geamanu: Tập trung nghiên cứu các thuật toán điều khiển nhằm tối ưu hóa năng lượng thu hồi khi phanh và phân phối lực phanh tái sinh kết hợp lực phanh cơ khí trên xe điện 4 bánh chủ động.
  • Jinhyun Park, Houn Jeong, In Gyu Jang và Sung-Ho Hwang: Sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink và CarSim để mô phỏng điều khiển phân phối mô men phanh cho xe điện bằng phương pháp điều khiển logic mờ (Fuzzy Logic).
  • XIAO Wen-yong, WANG Feng và ZHUO Bin: Xây dựng thuật toán điều khiển hệ thống phanh tái sinh dựa trên nguyên tắc tối ưu hóa lực phanh áp dụng cho xe HEV.
  • Sanketh S. Shetty: Ứng dụng mạng thần kinh nhân tạo (Artificial Neural Network) để điều khiển hệ thống phanh tái sinh trên xe HEV; kết quả mô phỏng thu hồi được từ 30% đến 37% năng lượng phanh tùy theo chu trình vận hành.
  • Piranavan Suntharalingam: Nghiên cứu thu hồi và quản lý năng lượng phanh tái sinh trên xe HEV sử dụng siêu tụ điện (Ultra Capacitor); kết quả thực nghiệm đạt tỷ lệ thu hồi từ 16,33% đến 17,46% tùy theo gia tốc giảm tốc.

Các hướng nghiên cứu trên xe truyền thống và hệ thống tích trữ năng lượng cơ khí

  • Jefferson và Ackerman (1996): Thiết kế và thử nghiệm hệ thống phanh tái sinh sử dụng bánh đà composite có mô men quán tính $1{,}5\text{ kg}\cdot\text{m}^2$, kết hợp hộp số vô cấp CVT KOPP (dải tỷ số truyền 9,5:1), tốc độ quay bánh đà từ 440 đến 4200 vòng/phút, đặt trong buồng chân không trên xe điện đường ray tải trọng 6 tấn. Nghiên cứu sử dụng điều khiển vòng lặp kín (Close-Loop Control), tuy nhiên chu trình thử nghiệm ngắn (125 giây trên quãng đường 1 km) và chưa kiểm chứng theo chu trình quốc tế.
  • Trung tâm Nghiên cứu Cơ điện tử - Đại học Texas: Phát triển dự án Bánh đà tích điện (Flywheel Battery - FWB) cho xe buýt điện, sử dụng bánh đà composite dung lượng $2\text{ kWh}$ kết hợp mô tơ/máy phát nam châm vĩnh cửu và ổ bi từ.
  • R. Hayes và Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ (ETH): Thử nghiệm hệ thống truyền lực Hybrid song song kết hợp động cơ đốt trong, mô tơ/máy phát, bánh đà, CVT và ắc quy dung lượng $5\text{ kA}$; kết quả thử nghiệm theo chu trình ECE-R15/04 cho thấy suất tiêu hao nhiên liệu giảm gần một nửa.
  • Đại học Công nghệ Eindhoven (2001–2006): Đề xuất khái niệm hệ thống truyền lực không quán tính "The Zero Inertia powertrain (ZI)" sử dụng hộp số CVT và bánh đà tích năng để chia sẻ tải trọng với động cơ đốt trong.
  • Ayala: Thiết kế hệ thống tích trữ năng lượng khi phanh dùng bánh đà sợi carbon có mô men quán tính $0{,}1\text{ kg}\cdot\text{m}^2$ kết hợp bộ bánh răng hành tinh kép (Planetary Gear System - PGS) trên hệ thống truyền lực truyền thống.
  • Hãng Flybrid LLP và Torotrak: Phát triển hệ thống KERS sử dụng bánh đà sợi carbon công suất cực đại $60\text{ kW}$ tại $64.000\text{ vòng/phút}$ kết hợp hộp số CVT Torotrak, thử nghiệm trên băng thử thắng điện từ (Dynamometer) với động cơ V8 theo chu trình FTP-75, đóng góp 21% năng lượng hoạt động cho xe.
  • Boretti: Mô phỏng hệ thống phanh tái sinh cơ khí với bánh đà và CVT trên xe khách trang bị động cơ đốt trong 6 xi-lanh theo chu trình NEDC, ghi nhận giảm 25% suất tiêu hao nhiên liệu đối với động cơ dung tích $4{,}0\text{L}$ và giảm 33% đối với động cơ $3{,}0\text{L}$.
  • Tai-Ran Hsu: Thiết lập hệ thống SJSU-RBS sử dụng bánh đà nối đồng trục với máy phát xoay chiều để chuyển đổi động năng thành điện năng; hạn chế là bánh đà không đặt trong buồng chân không, tốc độ thử nghiệm thấp ($300 - 500\text{ vòng/phút}$), điều khiển vòng hở và chưa thử nghiệm theo chu trình tiêu chuẩn.

So sánh các phương án tích trữ năng lượng theo nghiên cứu của Radhika Kapoor

Tác giả dẫn dụng công trình của Radhika Kapoor để đánh giá các đặc tính kỹ thuật và kinh tế giữa các giải pháp lưu trữ năng lượng:

  • Độ ổn định điện áp: Bánh đà có độ ổn định cao nhất (không phụ thuộc tải, nhiệt độ, trạng thái sạc), kế tiếp là ắc quy Li-ion, ắc quy axit-chì; siêu tụ đạt mức ổn định thấp nhất ($30%$).
  • Khả năng chịu nhiệt: Bánh đà chịu nhiệt từ $-40^\circ\text{C}$ đến $150^\circ\text{C}$, tiếp theo là siêu tụ, ắc quy axit-chì có dải nhiệt hẹp nhất ($-15^\circ\text{C}$ đến $50^\circ\text{C}$).
  • Hiệu suất: Phương án Hydro-Electric và siêu tụ đạt hiệu suất cao; ắc quy có hiệu suất thấp do thời gian nạp dài.
  • Mức giảm tiêu hao nhiên liệu trên xe HEV: Siêu tụ giảm $40%$, bánh đà giảm $27%$, thủy lực giảm $18%$, ắc quy giảm $15%$.
  • Cơ cấu giá thành: Ắc quy chiếm $6%$, bánh đà chiếm $15%$, siêu tụ chiếm $32%$, hệ thống thủy lực chiếm $47%$.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án khắc phục nhược điểm của hệ thống tích trữ cơ năng đơn thuần (phải xả năng lượng ngay) và nhược điểm của máy phát tốc độ thấp (hiệu suất phát điện kém) bằng giải pháp: kết hợp bánh đà tích năng với máy phát điện 3 pha và ắc quy thông qua bộ bánh răng hành tinh kép khuếch đại tốc độ và bộ truyền CVT; xây dựng thuật toán điều khiển phân phối lực phanh tối ưu bằng giải thuật bầy đàn (PSO) và tiến hành kiểm chứng bán thực nghiệm theo các chu trình lái xe chuẩn quốc tế trên dòng xe thương mại Toyota Hiace.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình động lực học

Luận án thiết lập phương trình cân bằng lực tổng quát khi ô tô chuyển động giảm tốc hoặc xuống dốc với góc dốc $\theta$, động cơ ở chế độ cầm chừng: $$F_j + F_\theta - F_a - F_{f1} - F_{f2} = 0$$

Trong đó:

  • Lực cản không khí: $F_a = 0{,}5 \cdot \rho \cdot C_D \cdot A \cdot (V + V_{wind})^2$ (với $\rho$ là mật độ không khí, $C_D$ là hệ số cản khí động, $A$ là diện tích cản chính diện, $V$ là vận tốc xe, $V_{wind}$ là vận tốc gió ngược).
  • Lực cản lăn: $F_{f1} + F_{f2} = f \cdot (Z_1 + Z_2)$, với hệ số cản lăn $f$ phụ thuộc vận tốc theo công thức thực nghiệm: $$f = f_0 \left(1 + \frac{v^2}{1500}\right) \quad (\text{khi } v > 22{,}2\text{ m/s tương đương } 80\text{ km/h})$$
  • Tải trọng pháp tuyến tác dụng lên cầu trước ($Z_1$) và cầu sau ($Z_2$) có tính đến lực quán tính và góc dốc.

Xác định mô men quán tính và hệ số khối lượng quay $\delta_i$

Lực quán tính tổng cộng tác dụng lên ô tô gồm thành phần chuyển động tịnh tiến ($F_j' = m \frac{dv}{dt}$) và thành phần các khối lượng chuyển động quay ($F_j''$), được quy đổi qua hệ số khối lượng quay $\delta_i$: $$F_j = m \cdot \delta_i \cdot \frac{dv}{dt}$$

Công thức thực nghiệm xác định hệ số khối lượng quay $\delta_i$ theo tỷ số truyền hộp số $i_h$: $$\delta_i = 1{,}04 + 0{,}025 \cdot i_h^2$$

Bảng thông số tính toán hệ số $\delta_i$ theo từng tay số trên xe tham chiếu Toyota Hiace:

Tay số Tỷ số truyền hộp số ($i_h$) Hệ số khối lượng quay ($\delta_i$)
Số 1 $i_{h1} = 4{,}452$ $1{,}5355$
Số 2 $i_{h2} = 2{,}619$ $1{,}2115$
Số 3 $i_{h3} = 1{,}517$ $1{,}0975$
Số 4 $i_{h4} = 1{,}000$ $1{,}0650$
Số 5 $i_{h5} = 0{,}895$ $1{,}0600$

Với tỷ số truyền của bộ truyền lực chính $i_0 = 4{,}3$, mô men tác dụng lên trục các-đăng ($M_{cd}$) và trục máy phát ($M_{mp}$) thông qua tỷ số truyền của cụm thu hồi $i_{rbs}$ được xác định: $$M_{mp} = i_{rbs} \cdot \frac{1}{4{,}3} \cdot r_b \left[ m \cdot \delta_i \cdot \frac{dv}{dt} - f \cdot m \cdot g \cdot \cos\theta - 0{,}5 \cdot \rho \cdot A \cdot C_D \cdot (V + V_{wind})^2 + m \cdot g \cdot \sin\theta \right]$$

Phương trình cân bằng năng lượng và động lực học trục máy phát: $$M_{mp} - M_{ton_hao} = J \cdot \frac{d\omega_{mp}}{dt}$$ $$P_{truc_mp} - P_{ton_hao} = P_{ra} = 3 \cdot E_s \cdot I_s \cdot \cos\varphi$$ với $J = J_{bd} + J_{roto_mp}$ (tổng mô men quán tính của bánh đà và rô-to máy phát), $E_s = K_M \cdot I_s \cdot \omega_{mp}$.

Phương pháp nghiên cứu và công cụ phân tích

  • Phương pháp mô phỏng số: Thiết lập phương trình toán học mô tả động lực học ô tô, mô hình hóa ắc quy, tổn hao cơ khí (bộ truyền xích, bánh răng hành tinh), tổn hao từ tính và điện từ của máy phát điện. Sử dụng phần mềm chuyên dụng (AVL Cruise, MATLAB/Simulink) để mô phỏng đáp ứng của hệ thống.
  • Phương pháp điều khiển và tối ưu hóa:
    • Xây dựng bộ điều khiển PID bám theo vận tốc các chu trình lái xe tiêu chuẩn.
    • Ứng dụng giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization - PSO / MOPSO) để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu: cực đại hóa năng lượng điện thu hồi nạp vào ắc quy đồng thời thỏa mãn điều kiện an toàn phanh và ổn định hướng chuyển động.
  • Phương pháp thực nghiệm:
    • Thử nghiệm trên đường thực tế với xe Toyota Hiace lắp hệ thống RBS ở các dải vận tốc bắt đầu phanh khác nhau để đo đạc thông số dòng điện, điện áp, công suất phát.
    • Thử nghiệm bán thực nghiệm trên băng thử tải (Dynamometer) điều khiển hệ thống bám theo 4 chu trình lái xe tiêu chuẩn: FTP-75, ECE-R15, NEDC và EUDC.
    • Xử lý dữ liệu thực nghiệm bằng thuật toán nội suy đường cong làm mịn (Smoothing Spline) nhằm xác định quy luật phân bố năng lượng thu hồi theo vận tốc.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN

Chương 1 phân tích bối cảnh cạn kiệt năng lượng hóa thạch và ô nhiễm môi trường do khí thải phương tiện giao thông. Tác giả tổng quan 4 phương án tích trữ năng lượng phanh tái sinh: dạng điện năng (ắc quy, siêu tụ), dạng thủy lực, dạng cơ khí bánh đà (Flywheel) và dạng vật liệu đàn hồi (lò xo cuộn). Phân tích so sánh cho thấy bánh đà có độ ổn định điện áp cao, chịu nhiệt tốt ($-40^\circ\text{C}$ đến $150^\circ\text{C}$), giá thành chế tạo hợp lý ($15%$) nhưng nhược điểm là không tích trữ năng lượng được lâu dài. Tác giả điểm luận các công trình nghiên cứu trên xe EV, HEV và xe CICE truyền thống, từ đó chỉ ra khoảng trống nghiên cứu và đề xuất mô hình hệ thống RBS cơ - điện kết hợp: trích công suất từ trục truyền động qua bộ bánh răng hành tinh kép (PGS), truyền qua bộ biến thiên vô cấp (CVT) tới trục đồng tốc gắn bánh đà và máy phát điện xoay chiều 3 pha nạp điện vào ắc quy.

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN

Chương 2 tập trung thiết lập hệ thống phương trình vi phân và phương trình cân bằng lực của ô tô khi phanh hoặc giảm tốc xuống dốc. Nghiên cứu sinh xác định mô men quán tính của xe quy đổi về trục bánh xe chủ động thông qua việc tính toán hệ số khối lượng quay $\delta_i$ cho từng tay số của xe Toyota Hiace ($i_{h1}=4{,}452 \rightarrow \delta_1=1{,}5355$; $i_{h5}=0{,}895 \rightarrow \delta_5=1{,}0600$). Xây dựng mô hình toán mô tả tổn hao cơ khí của bộ truyền xích, bộ bánh răng hành tinh kép, tổn hao sắt từ và tổn hao đồng của máy phát điện. Mô hình hóa ắc quy và các phụ tải điện. Trên cơ sở đó, tác giả thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển mô hình phanh tái sinh bám sát vận tốc của 4 chu trình lái xe tiêu chuẩn (FTP-75, EUDC, ECE-R15, NEDC), từ đó tính toán công suất phát và năng lượng thu hồi lý thuyết trên từng chu trình.

Chương 3: TỐI ƯU HÓA THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PHÂN PHỐI LỰC PHANH TÁI SINH

Chương 3 phân tích bài toán điều khiển phân phối lực phanh giữa lực phanh tái sinh (cầu sau/trục truyền động) và hệ thống phanh cơ khí ma sát tại các bánh xe. Tác giả chỉ ra đây là bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu: vừa phải tối đa hóa lượng động năng chuyển hóa thành điện năng nạp vào ắc quy, vừa phải đảm bảo tỷ lệ phân phối lực phanh nằm trong vùng an toàn theo quy chuẩn kỹ thuật (không gây trượt lết bánh xe, duy trì tính ổn định hướng và hiệu quả phanh). Tác giả ứng dụng giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization - PSO) với không gian tìm kiếm đa chiều để xác định chiến lược phân phối lực phanh tối ưu. Kết quả mô phỏng so sánh trước và sau tối ưu hóa chứng minh thuật toán PSO giúp hệ thống khai thác tối đa khả năng thu hồi của máy phát mà vẫn giữ hệ số bám bánh xe trước/sau trong giới hạn ổn định.

Chương 4: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG

Chương 4 trình bày quá trình thiết kế, chế tạo phần cứng và tiến hành hai giai đoạn thực nghiệm:

  1. Thực nghiệm trực tiếp trên xe Toyota Hiace: Hệ thống phần cứng gồm cụm bánh răng hành tinh, bộ truyền CVT, bánh đà, máy phát và cảm biến được tích hợp lên xe. Thử nghiệm tiến hành ở các dải vận tốc bắt đầu phanh khác nhau để đo đạc dạng sóng điện áp, dòng điện, công suất và tính toán hiệu suất bộ thu hồi theo các chế độ giảm tốc.
  2. Thực nghiệm trên băng thử bán thực nghiệm (Dynamometer): Mô hình thực nghiệm kết nối với động cơ dẫn động và hệ thống điều khiển bám theo 4 chu trình lái xe chuẩn: FTP-75, ECE-R15, NEDC, EUDC. Kết quả đo đạc tốc độ máy phát, dòng nạp và điện áp thực tế khẳng định hệ thống tự động kích hoạt thu hồi mỗi khi xe giảm tốc.
  3. Xử lý số liệu thực nghiệm: Áp dụng phương pháp nội suy hàm ghép thực nghiệm (Smoothing Spline) để xây dựng đường cong đặc tính xu hướng phân bố năng lượng thu hồi theo vận tốc cho từng chu trình thử nghiệm.

Chương 5: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ

Tổng kết toàn bộ các kết quả nghiên cứu đã đạt được về mặt lý thuyết, mô hình hóa, thuật toán tối ưu và kết quả kiểm chứng thực nghiệm. Khẳng định hiệu quả giảm suất tiêu hao nhiên liệu của phương tiện truyền thống khi trang bị hệ thống phanh tái sinh. Đồng thời, chương 5 đưa ra các kiến nghị kỹ thuật nhằm hoàn thiện kết cấu cơ khí và nâng cao mức độ tích hợp của hệ thống trong thực tế.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  • Thiết lập hoàn chỉnh mô hình toán học động lực học ô tô kết hợp hệ thống phanh tái sinh cơ - điện (bánh đà kết hợp máy phát điện và ắc quy qua bộ bánh răng hành tinh kép), thể hiện tường minh mối quan hệ giữa hệ số khối lượng quay $\delta_i$, vận tốc bắt đầu giảm tốc, các thông số tổn hao cơ - điện với dòng điện, điện áp và công suất thu hồi.
  • Ứng dụng thành công giải thuật tối ưu hóa bầy đàn PSO (Particle Swarm Optimization) vào bài toán điều khiển phân phối lực phanh đa mục tiêu, giải quyết sự mâu thuẫn giữa việc tối đa hóa năng lượng thu hồi và yêu cầu duy trì độ ổn định, an toàn chuyển động của ô tô khi phanh.
  • Xác lập cơ sở khoa học và phương pháp luận trong việc đánh giá hiệu quả kinh tế năng lượng của hệ thống phanh tái sinh trên dòng xe CICE theo các chu trình thử nghiệm tiêu chuẩn quốc tế.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  • Thiết kế, chế tạo thành công cụm thiết bị thu hồi năng lượng cơ - điện có thể lắp đặt bổ sung lên hệ thống truyền lực của ô tô truyền thống (đã thử nghiệm trên xe Toyota Hiace) mà không làm thay đổi cấu trúc cơ bản của xe.
  • Kết quả nghiên cứu chứng minh hệ thống phanh tái sinh giúp cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu của xe từ $10{,}49%$ đến $24{,}44%$ tùy thuộc vào từng chu trình vận hành thử nghiệm.
  • Xây dựng thành công bộ đường cong đặc tính xu hướng phân bố năng lượng thu hồi theo vận tốc thực nghiệm bằng phương pháp Smoothing Spline cho 4 chu trình: FTP-75, ECE-R15, NEDC và EUDC, cung cấp công cụ tra cứu thực nghiệm cho việc hiệu chỉnh hệ thống điều khiển trên xe.

Kiến nghị và đề xuất của luận án

  • Đề xuất ứng dụng kết cấu buồng chân không cho cụm bánh đà nhằm giảm triệt để tổn hao do ma sát với không khí khi bánh đà quay ở vận tốc cao.
  • Nghiên cứu tích hợp sâu hơn giữa bộ điều khiển phanh tái sinh với hệ thống điều khiển phanh chống hãm cứng bánh xe (ABS) và hệ thống cân bằng điện tử sẵn có trên xe thương mại.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nghiên cứu tính toán và thực nghiệm giới hạn trên đối tượng xe cụ thể là Toyota Hiace với hệ thống truyền động cầu sau; mô hình bánh đà trong thử nghiệm chưa được đặt trong môi trường chân không hoàn toàn dẫn đến phát sinh tổn hao khí động học ở tốc độ cao; giai đoạn thử nghiệm chu trình tiêu chuẩn được thực hiện trên băng thử bán thực nghiệm (Dynamometer) trong phòng thí nghiệm.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Nghiên cứu chế tạo cụm bánh đà siêu tốc bằng vật liệu composite đặt trong buồng hút chân không để nâng cao mật độ tích trữ cơ năng.
    • Tích hợp và thử nghiệm đồng bộ hệ thống trên đường thực tế theo toàn bộ chu trình lái xe có sự hỗ trợ của thiết bị định vị GPS.
    • Mở rộng phạm vi nghiên cứu sang các dòng xe tải nhẹ và xe chở khách đô thị có chế độ dừng - chạy (Stop-and-Go) liên tục.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu phục vụ các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình toán động lực học xe, phương pháp xác định hệ số khối lượng quay $\delta_i$, kỹ thuật mô phỏng tổn hao cơ - điện và quy trình thiết kế bộ điều khiển PID bám chu trình lái.
  • Giảng viên và các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển ô tô: Sử dụng nội dung Chương 3 để nghiên cứu bài toán phân phối lực phanh đa mục tiêu và ứng dụng thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) trong kỹ thuật điều khiển động lực học phanh.
  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) tại các doanh nghiệp sản xuất, cải tạo ô tô: Ứng dụng giải pháp thiết kế cơ khí (Chương 4) về cụm trích công suất qua bộ bánh răng hành tinh kép và phương pháp thực nghiệm đánh giá suất tiêu hao nhiên liệu trên băng thử dynamometer theo chu trình chuẩn quốc tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống phanh tái sinh đề xuất trong luận án hoạt động theo nguyên lý cơ - điện kết hợp như thế nào?

Khi xe chuyển động tăng tốc bình thường, bộ bánh răng hành tinh kép (PGS) quay lồng không, hệ thống không trích công suất từ hệ thống truyền lực. Khi xe phanh hoặc giảm tốc (xuống dốc dài), bộ phanh điều khiển sẽ hãm bánh răng bao của bộ PGS, truyền mô men quán tính từ trục các-đăng qua hộp số biến thiên vô cấp CVT để làm quay bánh đà và máy phát điện xoay chiều 3 pha. Động năng quán tính được máy phát chuyển hóa thành điện năng nạp vào ắc quy để cung cấp lại cho các phụ tải điện trên xe.

2. Hệ số khối lượng quay $\delta_i$ được tính toán trên xe Toyota Hiace có giá trị cụ thể là bao nhiêu?

Theo công thức thực nghiệm $\delta_i = 1{,}04 + 0{,}025 \cdot i_h^2$, các giá trị tính toán cho từng tay số của hộp số xe Toyota Hiace lần lượt là:

  • Tay số 1 ($i_{h1} = 4{,}452$): $\delta_1 = 1{,}5355$
  • Tay số 2 ($i_{h2} = 2{,}619$): $\delta_2 = 1{,}2115$
  • Tay số 3 ($i_{h3} = 1{,}517$): $\delta_3 = 1{,}0975$
  • Tay số 4 ($i_{h4} = 1{,}000$): $\delta_4 = 1{,}0650$
  • Tay số 5 ($i_{h5} = 0{,}895$): $\delta_5 = 1{,}0600$

3. Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) đóng vai trò gì trong hệ thống phanh tái sinh của luận án?

Bài toán phân phối lực phanh tái sinh là bài toán tối ưu đa mục tiêu: vừa phải cực đại hóa lượng điện năng thu hồi nạp vào ắc quy, vừa phải đảm bảo điều kiện an toàn chuyển động và ổn định phanh (không để bánh xe bị khóa cứng hoặc mất lái). Thuật toán PSO được sử dụng trong Chương 3 nhằm tìm ra bản đồ phân phối lực phanh tối ưu giữa cơ cấu phanh tái sinh ở trục truyền động và hệ thống phanh cơ khí ma sát tại các bánh xe.

4. Mức độ cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu thực tế của xe sau khi lắp đặt hệ thống là bao nhiêu?

Dựa trên các kết quả mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng trên băng thử theo các chu trình lái xe tiêu chuẩn (FTP-75, ECE-R15, NEDC, EUDC), xe được trang bị bổ sung hệ thống thu hồi năng lượng khi phanh có thể cải thiện từ $10{,}49%$ đến $24{,}44%$ về suất tiêu hao nhiên liệu tùy thuộc vào đặc tính vận hành của từng chu trình.

5. Luận án đã sử dụng các chu trình lái xe tiêu chuẩn nào để đánh giá hệ thống?

Nghiên cứu sinh đã áp dụng 4 chu trình lái xe tiêu chuẩn quốc tế bao gồm:

  • Chu trình FTP-75 (Federal Test Procedure của Mỹ)
  • Chu trình ECE-R15 (Chu trình thử nghiệm đô thị của Châu Âu)
  • Chu trình EUDC (Extra Urban Driving Cycle của Châu Âu)
  • Chu trình NEDC (New European Driving Cycle của Châu Âu)

Kết luận

Luận án tiến sĩ "Nghiên cứu nâng cao hiệu quả thu hồi năng lượng của hệ thống phanh tái sinh trên ô tô" do nghiên cứu sinh Dương Tuấn Tùng thực hiện đã giải quyết bài toán nâng cao tính kinh tế nhiên liệu cho dòng xe sử dụng động cơ đốt trong truyền thống thông qua giải pháp phanh tái sinh cơ - điện kết hợp. Tác giả đã hoàn thiện hệ thống mô hình toán động lực học, ứng dụng thuật toán tối ưu bầy đàn PSO để phân phối lực phanh an toàn và chế tạo thành công mô hình thực nghiệm trên xe Toyota Hiace cùng băng thử bán thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu khẳng định khả năng tiết kiệm từ $10{,}49%$ đến $24{,}44%$ nhiên liệu theo các chu trình thử nghiệm tiêu chuẩn, đóng góp giải pháp kỹ thuật có giá trị khoa học và khả năng ứng dụng thực tế trong lĩnh vực kỹ thuật ô tô.